On a souvent dit que les cellules solaires sont comme des versions artificielles des appareils photosynthétiques trouvés dans les plantes, comme les feuilles, puisque les deux récoltent la lumière du soleil. Mais les feuilles de la nature peuvent faire quelque chose que la plupart des cellules solaires ne peuvent pas faire :se protéger contre les dommages photochimiques dus à une surexposition au soleil.

Pour tenter de protéger les appareils de récolte de lumière artificielle des dommages causés par le soleil, les chimistes ont conçu un réseau à l'échelle moléculaire en forme d'entonnoir qui récolte les photons, répartit l'énergie autour du réseau, et décharge l'énergie à un rythme relativement lent vers une cellule solaire ou un autre dispositif. En régulant la quantité d'énergie qui entre dans la cellule solaire, le nouveau réseau pourrait prolonger la durée de vie de la cellule solaire, qui doit fonctionner dans des conditions difficiles associées à une exposition prolongée au soleil.

Les chercheurs, Raymond Ziessel, Gilles Ulrich, et Alexandre Haefele à l'Université de Strasbourg en France, avec Anthony Harriman à l'Université de Newcastle au Royaume-Uni, ont publié leur article sur leur réseau de collecte de lumière artificielle dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society .

« La lumière UV est nocive pour les cellules et pour la structure porteuse, " a dit Harriman Phys.org . "Les photons sont perdus par annihilation, et des performances optimales nécessitent un flux constant de photons. Ceci est encore plus important pour les dispositifs de séparation d'eau, c'est là que nous voyons notre moissonneuse-batteuse avoir de vraies applications."

La nouvelle gamme se compose de 21 colorants Bodipy ("bore-dipyrrométhène"), qui sont des colorants hautement fluorescents connus pour leur bonne absorption et émission lumineuse. Les colorants Bodipy sont disposés dans un design en forme d'entonnoir qui converge vers un point focal. Lorsqu'il est exposé à la lumière, le réseau guide l'énergie d'excitation des photons incidents à travers l'entonnoir à travers une série d'étapes de transfert d'énergie en cascade jusqu'à ce que l'énergie atteigne le point focal.

La caractéristique la plus importante de la conception est sa capacité à réguler son énergie. Lorsque le foyer est dans un état excité, le transfert d'énergie supplémentaire vers le point focal est limité. Afin d'augmenter la quantité d'énergie qui atteint le point focal, la topologie du réseau fournit divers itinéraires de déplacement pour l'énergie afin d'assurer différentes heures d'arrivée. La stratégie consiste à redistribuer l'excès d'énergie dans le réseau jusqu'à ce que le point focal ne soit plus « saturé ».

Ce mécanisme de protection contre la surexposition au soleil n'est pas strictement basé sur les mécanismes utilisés par les plantes. Dans la nature, différents mécanismes ont évolué à cet effet, bien que les détails de ces mécanismes fassent encore l'objet d'un débat actif.

Alors que les propriétés du nouveau tableau sont intrigantes, les scientifiques ajoutent que la synthèse proprement dite est également à la pointe de la technologie. L'utilisation des colorants Bodipy comme blocs de construction permet d'avoir une certitude sur la structure émergente, contrairement à l'utilisation d'autres molécules, tels que les dendrimères, où il est difficile d'assurer une croissance complète avec chaque couche.

À l'avenir, l'entonnoir à l'échelle moléculaire pourrait protéger les cellules solaires en fonctionnant comme un sensibilisateur; C'est, transférer l'énergie de manière contrôlée aux cellules solaires ou à d'autres dispositifs externes. Le réseau offre également un avantage en termes de stabilité par rapport à l'utilisation d'un mélange de composés. Et bien que le réseau limite le transfert d'énergie, il ne diminue pas l'efficacité des cellules solaires.

"Maintenant, l'efficacité limitante est le couplage des deux systèmes, " dit Harriman. " En principe, il ne devrait pas y avoir de diminution de l'efficacité. Le véritable avantage viendra de l'utilisation d'un capteur de grande surface et d'une cellule solaire de petite surface."

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer le transfert de photons de la matrice à la cellule solaire.

"Nous essayons de construire des systèmes où les photons se déplacent facilement de cluster en cluster avant d'être piégés par la cellule solaire, " dit Harriman. " Aussi, nous cherchons des moyens de pousser les photons vers la cellule solaire, plutôt que de compter sur des migrations aléatoires. Ce type de cohérence quantique peut être important dans certains cas dans la nature, mais dépasse largement les capacités actuelles des systèmes artificiels. Nous avons des idées pour nous améliorer et nous prévoyons des progrès rapides dans ce domaine."

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